[국내 ③] 차세대 리튬이차전지용 나노 구조 실리콘 전극 개발, 리튬이차전지뿐만 아니라 다양한 에너지 전환 장치에 활용

리튬을 이용한 이차전지의 차세대 전극 물질로 각광받는 나노 구조 실리콘 전극을 국내 연구진이 개발했다. 리튬이차전지는 현재 이차전지 시장의 대부분을 차지하며, 한 번 쓰고 버리는 일차전지와 달리 외부 전원을 이용해 충전해 반영구적으로 사용할 수 있다. 또한, 리튬(가장 가벼운 금속 원소)을 포함한 전해질을 사용해 높은 용량과 높은 전압 값을 유지하고 자기 방전이 적고 수명이 긴 것이 특징이다. 이 연구는 광주과학기술원(GIST) 김원배 교수와 남상훈 박사가 주도하고 정건영 교수가 참여했으며, 연구 결과는 나노 과학 분야의 권위 있는 학술지인《나노 레터스Nano Letters》온라인 속보에 게재됐다(논문명 : Probing the Lithium Ion Storage Properties of Positively and Negatively Carved Silicon).

김원배 교수 연구팀은 나노 박막 실리콘을 패턴 공정 기술로 변화시킨 후, 구조별 리튬 저장특성과 차이점을 체계적으로 연구했다.
실리콘은 상용 리튬이차전지의 음극 소재로 쓰이는 흑연보다 용량이 10배 이상 큰 차세대 전극 물질이지만, 리튬과 만나면 부피가 4배 정도 팽창해 리튬의 저장 능력을 급격히 감소시키는 것이 단점이다. 차세대 리튬이차전지용 전극소재를 연구하는 전세계 연구자들은 실리콘의 형태나 크기 등을 바꿔 나노 실리콘(나노관, 나노구, 나노선, 나노기둥, 나노우물등)의 흑연 대체 가능성을 꾸준히 제시해 왔다. 그러나 지금까지 나노 전극 구조의 배열 · 크기 · 형태 등을 정형화하고, 각 구조별 전극 특성과 구조별 차이점을 체계적으로 고찰한 연구는 미비했다. 따라서 연구팀은 규칙적으로 배열된 나노 패턴의 구조 조정이 가능한 레이저 간섭 리소그래피를 이용해 전극 물질의 접촉 면적과 부피를 조절하고, 여러 구조형상에 따른 리튬의 저장 특성과 전자 전달의 효율 변화를 정량적으로 분석했다. 레이저 간섭 리소그래피는 형성시킨 빛의 간섭 패턴을 규칙적인 패턴으로 형성시키는 기술이다.
김 교수팀이 실리콘 박막에 형성한 나노 구조 실리콘 전극(나노 기둥과 나노 우물 패턴 구조)은 전해액과의 접촉 면적이 넓고 전극 내부의 전자 전달이 우수해 용량과 성능을 크게 향상했다. 연구팀이 개발한 나노 구조 실리콘 전극으로 리튬이차전지를 제작한 후 평가한 결과, 현재 사용하는 흑연에 비해 8배 정도 용량이 증가했다. 또한, 나노 구조가 없는 일반 실리콘 전극과 비교해도 용량이 2배 이상 증가했으며, 충 · 방전 특성 및 수명도도 크게 높아졌다.
김원배 교수는 "리튬이차전지의 차세대 음극 소재로 알려진 실리콘의 나노 구조별 리튬 저장 특성을 연구한 이 결과는 차세대 리튬이차전지뿐만 아니라 에너지 전환 장치에도 다양하게 활용될 것으로 기대한다"라고 연구 의의를 밝혔다.